Способы получения нейтронов. Источники нейтронов.

Поскольку свободный нейтрон - нестабильная частица, то необходимы внешние, т.е. не зависящие от нейтронного поля, источники нейтронов.

1) Источники на основе (α,n) реакции. Излучателями α-частиц в источниках данного типа являются радионуклиды, имеющие сравнительно высокую удельную α-активность. К ним относятся нуклиды: ²¹⁰Po (T_1/2=138,4 дня), ²²⁶Ra (T_1/2=1622 года), ²²⁷Ac (T_1/2=22 года), ²³⁸Pu (T_1/2=86,4 года), ²³⁹Pu (T_1/2=24360 лет), ²⁴¹Am (T_1/2=458 лет), ²⁴²Cm (T_1/2=162,7 дня), ²⁴⁴Cm (T_1/2=18,4 года).

Реакция (α,n) может происходить только в том случае, если:

· Кинетическая энергия α-частицы выше кулоновского барьера ядра-мишени;

· Энергия возбуждения составного ядра, получившегося после захвата α-частицы ядром-мишенью, больше, чем энергия связи нейтрона в этом составном ядре.

Поэтому в качестве ядра-мишени используют легкие ядра, имеющие малый заряд ядра и, следовательно, низкий кулоновский барьер.

Например, реакция на ядре Be:

⁴He+⁹Be->¹³C*->¹²C+n+5,704 МэВ

Если требуется стабильный во времени источник, то его основой может стать радий или плутоний. Однако, недостатком радиевых источников излучения нейтронов является большая интенсивность γ-излучения радия и продуктов его распада. Плутоний испускает гораздо меньше γ-квантов. Когда необходим источник, практически не излучающий γ-квантов, используют Po-Be. Однако Po имеет сравнительно малый период полураспада, поэтому с таким источником нельзя проводить длительных измерений, не внося поправку на распад полония.

Методы изготовления источников на основе (α,n)-реакции сравнительно просты, но требуют тщательного перемешивания используемых веществ (ядра-излучатели и ядра-мишени) и тщательной герметизации.

2) Источники на основе (γ,n) реакции. Реакция (γ,n), или фотонейтронная, может происходить в том случае, если энергия γ-квантов выше, чем энергия связи нейтрона в ядре-мишени. Обычно энергия γ-квантов, испускаемых радиоактивными веществами, не превышает 3-4 МэВ. Соответствующие реакции можно записать следующим образом:

⁹Be+ γ->⁹Be*->⁸Be+n

²H+ γ->²H*->¹H+n

Способ изготовления источников данного весьма прост: ампулу с γ-радиоактивным веществом помещают в заготовку из металлического бериллия, либо в сосуд с тяжелой водой.

Фотонейтронные источники имеют следующие недостатки: большую интенсивность γ-излучения, значительные геометрические размеры и очень малый период полураспада. Кроме того выход нейтронов на 1 Ки излучения на несколько порядков ниже, чем в источниках на основе (α,n)-реакции.

3) Источники на основе (p,n) реакции. Реакции (p,n) являются экзотермическими и пороговыми. При бомбардировке тонких мишеней протонами с энергией, несколько превышающей порог реакции, имеется возможность получить монохроматический источник нейтронов. Наиболее широкое распространение получили две реакции:

³H+¹H->³He+n (Е_пор=1,019 МэВ)

⁷Li+¹H->⁷Be+n (Е_пор=1,88 МэВ)

При осуществлении этих реакций источником монохроматических протонов обычно является генератор Ван-де-Граафа. Использование приведенных реакций позволяет получать нейтроны с энергией от десятков килоэлектронвольт до нескольких мегаэлектронвольт с выходом около 10⁶ - 10⁷ нейтр./с на 1 мкА тока протонов.

4) Источники на основе реакций синтеза. Эти реакции – эндотермические и отличаются относительно высоким выходом нейтронов. Для основных реакций синтеза

²H+²H->³He+n+3,28 МэВ

³H+²H->⁴He+n+17,6 МэВ

Сравнительно высокий выход нейтронов уже достигается при энергии дейтонов около 100 кэВ. В качестве мишеней обычно используются циркониевые подложки, адсорбированный газообразный дейтерий или тритий. Установки, на которых получают нейтроны по приведенным выше реакциям, называются нейтронными генераторами. Энергия ускоренных ионов дейтерия колеблется в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен килиэлектронвольт. Эти установки сравнительно дешевы, компактны и удобны в эксплуатации. Выход нейтронов в первой реакции достигает порядка 10⁶ нейтр./(с×мкА), а во второй – в сотни раз больше. Таким образом нейтронный генератор с дейтонным током может генерировать до 10⁸-10¹⁰ нейтр./с в зависимости от типа реакции.

5) Ядерная реакция деления, как источник нейтронов.

См. вопрос №1.